Czym właściwie jest cząstka?

Kilka mie­się­cy temu publi­ko­wa­łem krótki prze­wod­nik po modelu stan­dar­do­wym. Napi­sa­łem w nim, że całą znaną materię i wszyst­kie oddzia­ły­wa­nia można spro­wa­dzić do raptem kil­ku­na­stu cząstek ele­men­tar­nych. Padły nazwy elek­tro­nów, kwarków, neutrin, fotonów, gluonów, hig­so­nów i tak dalej. Dodałem też, że dla porząd­ku całą tę sub­a­to­mo­wą mena­że­rię fizycy dzielą sobie na różne rodziny i generacje.

Nigdzie nie napi­sa­łem nato­miast, czym w ogóle jest cząstka.

Od strony słow­ni­ko­wej cząstkę koja­rzy­my zwykle, jako drobny element więk­szej całości. Takie bardzo małe coś. Zia­ren­ko wszech­świa­ta. Mikro­sko­pij­ną piłecz­kę ping­pon­go­wą. Rodzyn­kę w serniku rze­czy­wi­sto­ści. Kropkę.

Tego rodzaju wyobra­że­nia mogą utrwa­lać obrazki z pod­ręcz­ni­ków. Na pewno pamię­tasz te rysunki, gdzie elek­tro­ny wyglą­da­ły jak małe nała­do­wa­ne ujemnie kulecz­ki, krążące wesoło wokół dodat­nio nała­do­wa­ne­go jądra atomu. Taki pla­ne­tar­ny model atomu jest wygodny, przej­rzy­sty i działa jako baza pod niezbyt pomy­sło­we logo dla każdego nauko­we­go przed­się­wzię­cia. Jest też oczy­wi­ście fałszywy.

Tole­ru­je­my go tylko dlatego, że spraw­dza się jako prosty schemat, który nie trau­ma­ty­zu­je uczniów. W końcu łatwiej wyja­śniać zagma­twa­ne procesy, ope­ru­jąc na kulkach i kre­skach, niż na czymś takim:

Chcesz powiedzieć, że elektron to nie kropka czy kulka, tylko chmurka?

Też nie do końca. Żeby cokol­wiek z tego zro­zu­mieć, musimy cofnąć się do począt­ku XIX wieku i jednego z naj­pięk­niej­szych eks­pe­ry­men­tów w dzie­jach całej fizyki (dokład­niej szó­ste­go na liście, przy­naj­mniej według histo­ry­ka nauki Roberta Cre­ase­’a). Chodzi o doświad­cze­nie Younga lub, jak kto woli, eks­pe­ry­ment z dwiema szcze­li­na­mi. Jeżeli pamię­tasz je ze szkoły — świet­nie. Jeśli przy­sy­pia­łeś na lek­cjach — nie przej­muj się, zaraz wszyst­ko sobie przypomnisz.

Wyobraź sobie nastę­pu­ją­cy układ. Wiązka światła pada na ścianę, w której znaj­du­ją się dwa wąskie otwory. Za tą dziu­ra­wą prze­gro­dą w pewnej odle­gło­ści umiesz­czo­no świa­tło­czu­ły ekran, pokryty czymś w rodzaju kliszy foto­gra­ficz­nej. Jeżeli przez szcze­li­ny w ścianie prze­do­sta­nie się część światła, na pewno dotrze ono do ekranu, zosta­wia­jąc na nim jakiś ślad.

Arcy­py­ta­nie brzmi: jaki to będzie ślad? Na dobrą sprawę ist­nie­ją dwie opcje. 

Opcja pierw­sza (nazwij­my ją kla­sycz­ną). Wynik doświad­cze­nia będzie taki sam, jakbyś wycią­gnął karabin maszy­no­wy i wypruł w kie­run­ku prze­gro­dy serię poci­sków. Część nabojów prze­le­ci przez lewą szcze­li­nę, część przez prawą, a reszta rozbije się na prze­szko­dzie. Pociski, które zdołają prze­le­cieć dalej, zosta­wią na ekranie ślady w dwóch sku­pi­skach — odpo­wia­da­ją­cym obu otworom. Nuda, nic szczególnego.

Opcja druga (falowa). Światło zachowa się jak zmarszcz­ki na powierzch­ni jeziora. W takiej sytu­acji fala prze­cho­dząc przez szcze­li­ny, ulegnie podzia­ło­wi i dosta­nie­my dwa mniej­sze zestawy zabu­rzeń. Te po chwili zaczną na siebie wpadać i wza­jem­nie się prze­ni­kać. Final­nie da nam to znacz­nie cie­kaw­szy obraz, złożony z szeregu jasnych i ciem­nych pasków.

Takie prążki sta­no­wią bez­sprzecz­ny dowód zacho­dze­nia inter­fe­ren­cji, czyli wzmac­nia­nia i osła­bia­nia nakła­da­ją­cych się fal. Wniosek? Jeżeli coś jest falą, to prze­cho­dząc przez prze­gro­dę, pozo­sta­wi po sobie wzór inter­fe­ren­cyj­ny. Jeżeli nato­miast coś jest poci­skiem, piłką, kulą do kręgli, cegłą lub punk­to­wą cząstką i nie potrafi inter­fe­ro­wać — to nie.

Rozu­miał to Thomas Young — przy­rod­nik, fizjo­log, lekarz, fizyk, lin­gwi­sta, egip­to­log, super­po­li­glo­ta i w ogóle jeden z naj­więk­szych geniu­szy, jakich nosiła Europa. Prze­pro­wa­dził on opisany powyżej eks­pe­ry­ment (tzn. ze świa­tłem, nie z kara­bi­nem), pragnąc raz na zawsze roz­strzy­gnąć spór doty­czą­cy toż­sa­mo­ści światła. 

Dla kon­tek­stu powi­nie­neś wie­dzieć, że opo­wie­dze­nie się za opcją falową, było w tamtych czasach równie nie­tak­tow­ne, co oświad­cze­nie, że majonez Winiary jest smacz­niej­szy od Kie­lec­kie­go. Godziło to bowiem w spu­ści­znę wiel­kie­go sir Izaaka Newtona, który do końca życia pozo­sta­wał zade­kla­ro­wa­nym cząst­kow­cem. Nie zwa­ża­jąc jednak na wszel­kie żale, zło­rze­cze­nia i lamenty, Young prze­pro­wa­dził swój eks­pe­ry­ment i ogłosił jed­no­znacz­ny wynik. Na kliszy objawił się szereg jasnych i ciem­nych prążków. Ślad inter­fe­ren­cji, cha­rak­te­ry­stycz­ny dla fali.

I na tym sprawa powinna zostać zamknię­ta. Jednak Matka Natura okazała się prze­ja­wiać chore poczu­cie humoru. Kolejne poko­le­nie uczo­nych wróciło do zabaw ze świa­tłem, odkry­wa­jąc coś nie­po­ję­te­go. Prze­pro­wa­dza­jąc nowe pomy­sło­we doświad­cze­nia, zaczęli trafiać na zja­wi­ska (np. efekt foto­elek­trycz­ny, efekt Comp­to­na), które dało się sen­sow­nie wyja­śnić wyłącz­nie trak­tu­jąc światło jako… stru­mień cząstek.

Nikt nie obalił wniosku pły­ną­ce­go z eks­pe­ry­men­tu z dwiema szcze­li­na­mi. Po prostu, z jakie­goś kom­plet­nie nie­zro­zu­mia­łe­go powodu, światło raz zacho­wy­wa­ło się jak zmarszcz­ka na tafli jeziora, a innym razem, jak seria poci­sków wyplu­wa­nych z kałasz­ni­ko­wa. To zwa­rio­wa­ne roz­dwo­je­nie jaźni znane jest obecnie pod nazwą duali­zmu kor­pu­sku­lar­no-falo­we­go. Stało się ono kamie­niem węgiel­nym dla nowej dzie­dzi­ny fizyki. Już ty wiesz jakiej.

Stop. W jaki sposób przeszliśmy od elektronu do światła?

Bo elek­tro­ny robią to samo! I wszyst­kie inne cząstki (a nawet całe atomy i mole­ku­ły) też. Sto lat po Youngu fran­cu­ski histo­ryk, fizyk i ary­sto­kra­ta Louis de Broglie (był synem Victora, 5. księcia de Broglie) posta­no­wił podbić stawkę: skoro światło uważane za falę czasem zacho­wu­je się jak zbiór cząstek, to może cząstki materii miewają cechy fali? Czemu nie?

Hipo­te­za de Bro­glie­’a została wie­lo­krot­nie prze­te­sto­wa­na. Strze­la­no elek­tro­na­mi przez prze­gro­dę z dwiema szcze­li­na­mi w naj­róż­niej­szych kon­fi­gu­ra­cjach i – tak, dobrze prze­czu­wasz – na ekranie poja­wia­ły się upiorne prążki.

Ale jest tu jeszcze jeden detal, który dodaje sprawie głębi. Rzecz nie dotyczy wyłącz­nie jakiejś zwartej wiązki bilio­nów elek­tro­nów. Możesz kazać emi­te­ro­wi wypusz­czać cząstki poje­dyn­czo, z wyraź­ny­mi prze­rwa­mi, tak aby jeden na pewno nie wpływał na dru­gie­go. Powiedz­my, że co minutę wypusz­czasz elek­tron i co minutę na ekranie pojawia się kolejna plamka. Począt­ko­wo będzie to wyglą­dać tak, jakby cząstki lądo­wa­ły w loso­wych miej­scach, ale kiedy kropek nazbie­ra się więcej – bum! – jak łupież powraca wzór interferencyjny.

Pomyśl o tym rezul­ta­cie. Każdy jeden elek­tron “wie”, gdzie wylą­do­wać, żeby stać się częścią nie­przy­pad­ko­we­go wzoru. Zdaje się inter­fe­ro­wać sam ze sobą, jakby prze­cho­dził przez dwa otwory naraz. Zacho­wu­je się zatem, jak roz­cią­gła w prze­strze­ni fala. Tyle że nie powi­nien nią być, bo na końcu, przy zde­rze­niu z ekranem pozo­sta­wia po sobie jedną kropkę… jak przy­kład­na, pospo­li­ta, punk­to­wa cząstka.

Czuję dezorientację…

Dosko­na­le, czyli zaczy­nasz rozu­mieć skalę pro­ble­mu. Zresztą de Broglie też był sko­ło­wa­ny. Pomimo całej hecy ze szcze­li­na­mi, pozo­sta­wał on wręcz prze­ko­na­ny, że elek­tron to w pierw­szej kolej­no­ści zwarta cząstka. Dlatego wkrótce potem, chcąc sobie to wszyst­ko upo­rząd­ko­wać w głowie, zapro­po­no­wał bardzo ory­gi­nal­ną wizję. Według niego każda sub­a­to­mo­wa cząstka jest kulecz­ką w naj­bar­dziej kla­sycz­nym rozu­mie­niu tego słowa. Jed­nak­że nie­ustan­nie otacza ją coś, co fizyk okre­ślił jako fala pilotująca.

Elek­tron sam w sobie byłby więc prostą kor­pu­sku­łą, ale stale towa­rzy­szy­ła­by mu falowa otoczka, wpły­wa­ją­ca na jego ruch. Stąd interferencja.

Od razu powiem, że więk­szość kolegów de Bro­glie­’a widzia­ła tę sprawę zgoła inaczej. Niels Bohr, Werner Heisen­berg i inni giganci przed­wo­jen­nej fizyki orzekli, że fala ma w tym wszyst­kim klu­czo­we zna­cze­nie, ale nie należy o niej myśleć aż tak dosłownie.

Jak niby mam myśleć o fali niedosłownie?

Mniej mate­rial­nie, bar­dziej mate­ma­tycz­nie. Owszem, jeżeli chcesz opisać zacho­wa­nie cząstki, musisz podejść do niej jak do fali (i sięgnąć po rów­na­nie falowe Erwina Schrödin­ge­ra – tego samego od zamy­ka­nia kotków w pudełku). Jednak funkcja falowa nie jest czymś, co możesz zaob­ser­wo­wać, dotknąć lub polizać. To abs­trak­cyj­ne narzę­dzie, które mówi nam tylko, gdzie cząstka może się pojawić i z jakim prawdopodobieństwem.

Teraz zrobi się napraw­dę ekscytująco/przerażająco (sam zde­cy­duj). Bohr i spółka uważali, że zamknię­ty w skrzyn­ce samotny elek­tron nie funk­cjo­nu­je jako ściśle okre­ślo­ny punk­to­wy obiekt. Jest trochę jak mgła albo chmura wypeł­nia­ją­ca całą dostęp­ną prze­strzeń. Ale też nie do końca, bo nie jest to mate­rial­na chmura, tylko chmura praw­do­po­do­bień­stwa – tam, gdzie jest gęstsza (jaśniej­sze prążki na ekranie), tam ist­nie­je większa szansa na spo­tka­nie punk­to­we­go elektronu.

I elek­tron pozo­sta­nie takim kwan­to­wym “duchem” tak długo, dopóki żaden wścib­ski nauko­wiec nie spró­bu­je go podej­rzeć. Kiedy włączy apa­ra­tu­rę – puff, meta­fo­rycz­na mgła znika – a elek­tron natych­miast objawia się w ściśle okre­ślo­nym punkcie. Mówiąc po fizycz­ne­mu, nastę­pu­je kolaps funkcji falowej.

Jeśli chcemy podać dokład­ny opis cząstki, to podać go możemy jedynie w postaci funkcji praw­do­po­do­bień­stwa. Wówczas jednak okazuje się, że opi­sy­wa­ny obiekt nie posiada nawet wła­sno­ści ist­nie­nia (jeśli ist­nie­nie można nazwać wła­sno­ścią). Jest mu wła­ści­wa tylko moż­li­wość ist­nie­nia czy też ten­den­cja do ist­nie­nia. Dlatego cząstki ele­men­tar­ne, które bada fizyka współ­cze­sna, mają cha­rak­ter o wiele bar­dziej abs­trak­cyj­ny niż atomy demo­kry­tej­skie i właśnie wskutek tego mogą być bar­dziej odpo­wied­nim kluczem do zagadek zwią­za­nych z zacho­wa­niem się materii.

Werner Heisen­berg

Jest to kom­plet­nie nie­in­tu­icyj­ne. Nie przy­po­mi­na żadnego zja­wi­ska fizycz­ne­go, jakie znasz ze swojego oto­cze­nia. Ale działa.

Nie rozumiem. Skoro ta elektronowa fala nie jest namacalna, to skąd wiemy, że w ogóle istnieje?

Dla zwięk­sze­nia dra­ma­ty­zmu pozwo­li­łem sobie wcze­śniej pominąć pewien wątek. Otóż eks­pe­ry­ment z dwiema szcze­li­na­mi miał swój sequel. Spraw­dza­no w nim, co się wydarzy, kiedy przy prze­gro­dzie usta­wio­ne zostaną detek­to­ry moni­to­ru­ją­ce zacho­wa­nie prze­my­ka­ją­cych cząstek. 

Naukow­cy chcieli być pod­stęp­ni i spraw­dzić, w jaki sposób jeden mały elek­tron doko­nu­je absur­dal­nej sztucz­ki z przej­ściem przez dwa otwory jed­no­cze­śnie. Tu czekał na nich zawód: wzór inter­fe­ren­cyj­ny znikał. Pod­glą­da­ne elek­tro­ny kom­plet­nie wyrze­ka­ły się falowej toż­sa­mo­ści, prze­miesz­cza­jąc się pro­sty­mi tra­jek­to­ria­mi, jak kla­sycz­ne cząstki. Akt obser­wa­cji zmusił falę do przed­wcze­sne­go kolapsu. Elek­tron skon­kre­ty­zo­wał swoją pozycję przed prze­gro­dą i wybrał jedną ze szczelin.

Czyli cząstka to takie matematyczne widmo, które się ucieleśnia, kiedy je zawołamy?

Można tak to ująć, ale można też inaczej. W uno­wo­cze­śnio­nej wersji mecha­ni­ki kwan­to­wej – kwan­to­wej teorii pola (QFT) – cząstek w zasa­dzie nie ma. A przy­naj­mniej nie w kate­go­rii osob­nych, punk­to­wych “cosiów”. Elek­tron jako taki nie ist­nie­je, ist­nie­je nato­miast pole elek­tro­no­we. Tak samo jak pole elek­tro­ma­gne­tycz­ne, pole kwar­ko­we, pole glu­ono­we, pole Higgsa i tak dalej. Cały wszech­świat to ocean nie­wi­dzial­nych, prze­ni­ka­ją­cych się i reagu­ją­cych na siebie pól kwantowych.

To, co inter­pre­tu­je­my jako cząstkę, jest wyłącz­nie chwi­lo­wym, lokal­nym wzbu­dze­niem wybra­ne­go pola o okre­ślo­nych cechach. To pola kreują rze­czy­wi­stość. Mącąc je naszymi wścib­ski­mi eks­pe­ry­men­ta­mi, dopro­wa­dza­my do skoków aktyw­no­ści – “pików” wyła­py­wa­nych przez detek­to­ry jako deszcz fotonów, prze­la­tu­ją­ce elek­tro­ny albo ślady innego boha­te­ra modelu standardowego.

To rozu­mo­wa­nie przy okazji pro­wa­dzi nas do dwóch inte­re­su­ją­cych spo­strze­żeń. Po pierw­sze, próżnia tak napraw­dę nigdy nie jest abso­lut­nie pusta. Bez przerwy kipi kwan­to­wym poten­cja­łem, kreując na drodze oddzia­ły­wań ławice tzw. cząstek wir­tu­al­nych. Po drugie, teoria pola gładko tłu­ma­czy, dla­cze­go wszyst­kie cząstki ele­men­tar­ne danego rodzaju (np. wszyst­kie elek­tro­ny) są dokład­nie takie same. Ponie­waż każdy elek­tron to mani­fe­sta­cja jednego i tego samego pola, obej­mu­ją­ce­go całą przestrzeń.

W tym miejscu możemy też zboczyć w stronę filo­zo­fii i zapytać, czy taką cząstkę-zabu­rze­nie nadal należy roz­pa­try­wać w kate­go­rii obiektu, czy może bar­dziej zda­rze­nia roz­gry­wa­ją­ce­go w polu kwan­to­wym? (A zmarszcz­ka na tafli wody? Rzecz, czy zdarzenie?).

Ja wiem tylko tyle, że ten tekst jest już dość długi, a ponie­waż dbam o dobro­stan swoich czy­tel­ni­ków, przejdę do pod­su­mo­wa­nia. Zatem, czym jest cząstka?

• Odpo­wiedź zde­cy­do­wa­nie fał­szy­wa: małą kulką budu­ją­cą wszyst­ko, co nas otacza.
• Odpo­wiedź raczej fał­szy­wa: rze­czy­wi­stą kor­pu­sku­łą, ale szczel­nie otuloną przez równie rze­czy­wi­stą falę pilotującą.
• Odpo­wiedź konwencjonalna/kopenhaska: wyni­kiem kolapsu abs­trak­cyj­nej funkcji falowej, wywo­ła­ne­go aktem pomiaru (a o tym, czym jest pomiar, można dys­ku­to­wać kolejne godziny).
• Odpo­wiedź nowo­cze­sna: zabu­rze­niem któ­re­goś z wszech­obec­nych pól kwantowych.
• Odpo­wiedź hip­ster­ska: wie­lo­wy­mia­ro­wą drga­ją­cą struną, tak malutką, że z per­spek­ty­wy naszych instru­men­tów może przy­po­mi­nać punk­to­wą cząstkę. 

Pewne jest jedno. Sub­a­to­mo­we cząstki nie wyglą­da­ją i nie zacho­wu­ją się jak nic, co znamy ze świata dużych, nie­kwan­to­wych obiek­tów. Co prawda w pewnych oko­licz­no­ściach potra­fią wyka­zy­wać cechy zwykłej fali, a w innych wła­ści­wo­ści zwartej kor­pu­sku­ły – ale to wcale nie oznacza, że są jednym bądź drugim.

Możemy pró­bo­wać to zgrab­nie opisać, roz­ry­so­wać albo sobie wyobra­zić, ale nasze wysiłki praw­do­po­dob­nie i tak będą odległe od rze­czy­wi­sto­ści. Pozo­sta­je mi tylko powtó­rzyć zgrabną myśl Heisen­ber­ga: “musimy po prostu pamię­tać, iż nasz codzien­ny język już się nie spraw­dza; że znaj­du­je­my się w kró­le­stwie fizyki, gdzie słowa nie­wie­le znaczą”.

A TAK W OGÓLE TO… Niech cię ręka Bohra broni, żebyś kie­dy­kol­wiek nazwał foton, elek­tron, kwark, proton, czy neutron “czą­stecz­ką”. Czą­stecz­ka to odpo­wied­nik mole­ku­ły, czyli struk­tu­ry zło­żo­nej z wielu atomów, jak H₂O, CO₂, czy C₂H₆O. Czasami, w nie­któ­rych kon­tek­stach (che­micz­nych, bio­lo­gicz­nych) czą­stecz­ka może zostać okre­ślo­na jako cząstka, ale raczej nie na gruncie fizyki i na pewno nie odwrot­nie. Obiekty sub­a­to­mo­we to zawsze cząstki. Jeżeli zoba­czysz tekst, który określa np. neu­tri­no mianem czą­stecz­ki, nawet nie kończ zdania. Od razu wyłącz zakładkę.

Takie arty­ku­ły mogą powsta­wać wyłącz­nie dzięki wspar­ciu patro­nów bloga. Rzadko kogoś wyróż­niam imien­nie, ale tym razem muszę, ponie­waż Dariusz Karbarz zde­cy­do­wał się w ubie­głym tygo­dniu na sub­skryp­cję, wybie­ra­jąc naj­wyż­szy dostęp­ny próg wspar­cia. To dopiero druga taka sytu­acja w całej histo­rii mojej dzia­łal­no­ści. Dzię­ku­ję i kłaniam się nisko.